KR101460967B1 - 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법과 장치 - Google Patents

디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법과 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤엔진에서 나오는 배기가스를 줄이는 방법에 관한 것으로, 이는 약 0.006inch 이하의 직경을 가진 구멍을 갖춘 인젝터를 디젤엔진의 배기구에 구비하는 단계와, 약 120psi와 약 60psi 사이의 입구압력으로 인젝터에 반응제를 공급하는 단계와, 약 1% 이상의 온 시간과 약 10Hz와 약 1Hz 사이의 주파수에서 인젝터를 온-오프 작동시키는 단계 및, 상기 구멍을 통해 소정의 분사유량으로 배기구에다 반응제를 주입하는 단계를 포함하되, 상기 입구압력과 주파수 및 온 시간 중 적어도 2개를 변경시켜 적어도 약 31:1의 최소 분사유량에 대한 최대 분사유량의 부하 조정비를 얻게 된다.

Description

디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법과 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR REDUCING EMISSIONS IN DIESEL ENGINES}
본 출원은 2006년 5월 31일자로 출원된 미국 가출원 제60/809,918호를 우선권 주장하며, 상기 가출원은 본 명세서에 완전히 통합되고 참조로 인용된다.
본 발명은 전체적으로 희박연소(lean burn)엔진에 의해 생성되는 배기가스의 감소에 관한 것으로, 특히 본 발명은 디젤엔진의 배기에서 질소산화물(이하 "NOx")의 배출을 줄이기 위해 배기흐름에다 요소(尿素) 수용액과 같은 반응제를 주입하는 방법과 장치를 제공하며, 더욱이 본 발명은 디젤의 배기가스를 제어하기 위한 낮은 유량(flow rate)의 인젝터와, 낮은 유량으로 반응제를 주입하는 방법을 제공한다.
희박연소엔진은 연료의 완전연소를 위해 필요한 양 이상의 과잉산소로 작동함으로써 향상된 연료효율을 제공한다. 이러한 엔진은 "희박혼합비"에서 또는 "희박상태"로 운전된다고 한다. 하지만, 이러한 연비의 증가는 원하지 않는 공해 배출, 특히 NOx 형태의 배출에 의해 상쇄되고 있다.
희박연소의 내연기관에서 NOx의 배출을 줄이기 위해 사용되는 방법으로는 선택적 촉매저감법(이하 "SCR")이 알려져 있는바, 예컨대 디젤엔진에서 NOx의 배출을 줄이기 위해 사용될 때 SCR은 배기 NOx의 질량유량이나 터보 부스트압력, 엔진의 연료유량에 의해 측정되는 엔진 부하 또는 엔진 RPM, 배기가스 온도 등과 같은 하나 이상의 선택된 엔진의 작동변수들과 관련하여 엔진의 배기흐름에다 분무화된 반응제를 주입하는 것을 포함한다. 반응제 및 배기가스 혼합물은, 상기 반응제가 있는 데에서 NOx 농도를 줄일 수 있는 예컨대 활성탄이나, 백금 또는 바나듐이나 텅스텐과 같은 금속 등으로 된 촉매를 포함하는 반응기를 통과하게 된다. 이러한 유형의 SCR 시스템이 미국 특허 제5,976,475호에 기술되어 있다.
요소 수용액은 디젤엔진용 SCR 시스템에서 효과적인 반응제로 알려져 있다. 하지만, 이러한 요소 수용액의 사용은 많은 단점을 수반한다. 요소는, 배기가스 흐름에다 요소 혼합물을 주입하는 데에 사용되는 인젝터와 같은 SCR 시스템의 기계적 구성요소를 침식시키며 부식성이 아주 높다. 또한, 요소는 디젤의 배기시스템에서 만나게 되는 고온에 장기간 노출될 때 응고되는 경향이 있다. 이렇게 응고된 요소는 통상 인젝터에 있는 출구 개구부와 좁은 통로에 쌓이게 되어서, 응고된 요소가 인젝터의 가동부(可動部)를 더럽히고 개구부를 막히게 하여 인젝터가 사용될 수 없게 한다.
덧붙여, 요소 혼합물이 곱게 분무화되지 못하면, 요소 침적물이 촉매 반응기에 형성되어 촉매의 작용을 억제함으로써, SCR 시스템의 효율을 감소시키게 된다. 주입압력을 높이는 것이 요소 혼합물의 불충분한 분무화 문제를 최소화하는 한가지 방법이다. 그러나 높은 주입압력은 종종 인젝터의 분무 액적(spray plume)이 배기흐름으로 과도하게 침투되게 하여서, 액적이 인젝터 반대쪽 배기관의 내부면에 충돌하게 된다. 과도한 침투는 요소 혼합물이 비효율적으로 사용되게 하고, NOx의 배 출이 줄어든 상태로 차량이 이동할 수 있는 거리를 줄이게 된다. 함수(含水) 요소의 한정된 양이 차량에 구비될 수 있으므로, 차량의 이동가능거리를 극대화시키고 반응제를 빈번히 가득 채워야 하는 것을 줄이기 위해서는 상기 구비된 양이 효율적으로 사용되어야 한다.
종래기술에서는 펄스 폭 변조제어가 되면서 솔레노이드로 작동되는 인젝터의 사용을 나타내고 있는바, 상기 인젝터는 미립자 포집(particulate trap)을 재생하도록 배기에서의 온도를 증대시키기 위해 또는 적당한 촉매에 대하여 NOx를 줄이기 위해, 디젤엔진의 배기에다 요소 또는 탄화수소 반응제의 미세한 분무를 주입하도록 되어 있다. 예를 들면, 미국 특허 제5,605,042호와 동 제5,976,475호, 동 제6,279,603호 및, 동시계속출원 중인 미국 특허출원 제2005/0235632호를 참조하라. 통상 이들 인젝터는, 배출되는 막대한 양의 NOx로 인해 막대한 양의 반응제가 필요하게 되는 폐기물 수거 또는 건설 기계에 사용되는 것들과 같이 튼튼한 도로용 또는 오프-로드용 자동차 디젤엔진이나, 발전(發電)에 사용되는 대형의 산업용 디젤엔진에서 NOx의 감소에 이용된다. 0.012inch의 구멍을 가진 인젝터로부터 나오는 전형적인 분사유량은 32.5% 요소 수용액의 36.1 내지 103.5gr/min이다. 승용차 또는 경량 트럭에 사용되는 것들과 같은 소형 엔진은 NOx의 질량배출이 낮은 수준이어서 적은 양의 반응제가 필요하다. 예컨대, NOx 제어를 위한 SCR에 기초하여 요소를 사용하는 경량의 용도에서는 0.5 ~ 5.0gr/min의 분사유량이 일반적이다.
인젝터의 구멍 크기를 줄이면, 0.006inch의 출구를 가진 인젝터에 대한 아래의 표 1에 나타낸 바와 같이, 유량이 일부 줄어들 수 있다. 하지만, 이들 3.3 ~ 25.5gr/min의 분사유량도, 여러 경량의 디젤엔진에 요구되는 것보다 높다. 가능한 구멍 크기를 더욱 줄이면, 출구의 직경이 0.006inch 이하로 될 때 구멍의 내구성 및 가공성의 한계로 인해 제조상의 관점에서 비현실적으로 될 수 있다. 현장 적용의 관점에서, 0.006inch 이하의 구멍과 특히 0.004inch 이하의 구멍은, 시중에서 구입할 수 있는 반응제에서 발견되는 오염물질에 의해 정교한 상기 구멍이 막히는 것을 방지하도록 반응제를 여과하는 특수한 설비를 필요로 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 디젤엔진, 특히 승용차와 경량 트럭 및 오프-로드 차량 또는 설비에 사용되는 유형과 같은 소형 디젤엔진에서 나오는 배기가스를 줄이는 방법과 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 낮은 유량과 높은 부하 조정비(turn-down ratio:즉 인젝터의 최대 유량과 최소 유량 사이의 비)를 가진 반응제용 인젝터를 사용하여 디젤엔진에서 나오는 배기가스를 줄이는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 반응제의 낮은 유량, 특히 0.5 ~ 5gr/min 범위의 유량을 성취할 수 있도록 %온(On) 시간(펄스 폭) 또는 주파수를 전자적으로 변경시킴으로써 조절될 수 있는 유량을 가진 반응제용 인젝터를 사용하여 디젤엔진에서 나오는 배기가스를 줄이는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 25gr/min 이상으로 반응제의 높은 유량을 성취할 수 있는 성능을 가진 장치를 제공하는 데에 있다.
이들 목적은 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법을 제공함으로써 이루어지는바, 이 방법은 약 0.006inch 이하의 직경을 가진 구멍을 갖춘 인젝터를 디젤엔진의 배기구에 구비하는 단계와, 약 120psi와 약 60psi 사이의 입구압력으로 인젝터에 반응제를 공급하는 단계와, 약 1% 이상의 온 시간과 더불어 약 10Hz와 약 1Hz(예컨대 0.5Hz) 사이의 주파수에서 인젝터를 온-오프(Off) 작동시키는 단계 및, 상기 구멍을 통해 소정의 분사유량으로 배기구에다 반응제를 주입하는 단계를 포함하되, 상기 입구압력과 주파수 및 온 시간 중 적어도 2개를 변경시켜 적어도 약 31:1의 최소 분사유량에 대한 최대 분사유량의 부하 조정비를 얻게 된다.
또한, 상기 목적은 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법을 제공함으로써 이루어지는바, 이 방법은 약 0.035inch 이하의 직경을 가진 구멍을 갖춘 인젝터를 디젤엔진의 배기구와 연통시키는 단계와, 소정의 입구압력으로 인젝터에 반응제를 공급하는 단계와, 상기 구멍을 통해 소정의 분사유량으로 배기구에다 반응제를 주입하도록 소정의 주파수에서 인젝터를 온-오프 작동시키는 단계와, 약 85%와 약 5% 사이에서 인젝터의 온 시간을 조절하는 단계 및, 제1입구압력과 제2입구압력 사이에서 입구압력을 조절하는 단계를 포함하되, 상기 온 시간을 조절하는 단계와 상기 입구압력을 조절하는 단계는 10:1 이상의 최소 분사유량에 대한 최대 분사유량의 부하 조정비를 얻게 된다. 일부 실시예에서는, 상기 방법이 약 10Hz의 제1주파수와 약 1.5Hz의 제2주파수 사이에서 주파수를 조절하는 단계와, 약 1% 이하로 온 시간을 조절하는 단계를 포함하여서, 적어도 50:1의 부하 조정비를 얻게 된다.
또, 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법이 더 제공되는바, 이 방법은 약 0.006inch 이하의 직경을 가진 구멍을 갖춘 인젝터를 디젤엔진의 배기구에 구비하는 단계와, 약 80psi 이하의 입구압력으로 인젝터에 반응제를 공급하는 단계 및, 약 1.5Hz 이하의 주파수에서 인젝터를 온-오프 작동시키는 단계를 포함하되, 상기 인젝터는 상기 구멍을 통해 약 3.3gr/min 이하의 분사유량으로 배기구에다 반응제를 주입하며, 상기 인젝터는 10.5% 이하의 온 시간을 갖는다. 일부 실시예에서는, 인젝터가 5% 이하의 온 시간을 갖고, 상기 작동단계에서는 상기 구멍을 통해 약 1.5gr/min 이하의 분사유량으로 배기구에다 반응제를 주입하게 된다. 또한, 다른 실시예에서는, 인젝터가 1% 이하의 온 시간을 갖고, 상기 작동단계에서는 상기 구멍을 통해 약 0.8gr/min 이하의 분사유량으로 배기구에다 반응제를 주입하게 된다.
본 발명의 다른 목적들과 그 특정한 형태 및 장점들은 첨부한 도면과 상세한 설명으로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 인젝터를 사용하는 공해배출 제어시스템을 갖춘 도로용 디젤엔진의 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템에 사용되는 인젝터의 실시예를 나타낸 종단면도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 인젝터의 회전판의 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 3b는 도 2에 도시된 인젝터의 회전판의 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 3c는 도 2에 도시된 인젝터의 회전판의 실시예를 나타낸 저면도이다.
도 4a는 도 2에 도시된 인젝터에 사용되는 계량플러그의 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 계량플러그의 정면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 배기관에 장착된, 도 1의 시스템에 사용되는 인젝터의 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 %온 시간에 대한 반응제 유량의 그래프이다.
이하 본 발명은 첨부된 도면들을 참조로 하여 설명되는데, 유사한 참조부호가 유사한 부재를 표시하고 있다.
아래의 상세한 설명은 단지 예를 들기 위한 것으로, 이는 본 발명의 범주나 응용가능성 또는 형태 등을 제한하지 않는다. 오히려, 실시예들의 상세한 설명은 당해분야의 숙련자들이 본 발명의 실시예를 이행할 수 있게 한다. 첨부된 청구범위에 기술된 본 발명의 정신 및 범주로부터 벗어남 없이, 다양한 변형이 부재의 기능 및 배치 등에서 이루어질 수 있다.
본 발명은 디젤의 배기가스를 제어하는 낮은 유량의 인젝터와, 낮은 유량으로 반응제를 주입하는 방법을 제공한다.
본 발명은, 2005년 4월 22일에 출원되고 동시계속출원 중인 "분무화된 유체를 주입하는 방법과 장치"라는 명칭의 미국 특허출원 제11/112,039호(미국 출원공개 제2005/0235632 A1호)에 기재된 유형의 시중에서 구입할 수 있는 인젝터에서 낮은 유량을 성취할 수 있는데, 상기 특허출원은 본 명세서에 완전히 설명되어 통합되고 참조로 인용된다.
도 1은 디젤엔진(21)의 배기로부터 NOx의 배출을 줄이기 위한 공해배출 제어 시스템의 예를 나타내고 있다. 도 1에서, 시스템의 부재들 사이의 직선은 유체라인을 표시하고, 점선은 전기결선을 표시한다. 본 발명의 시스템은 반응제를 수용하는 반응제용 탱크(10)와, 이 탱크(10)로부터 반응제를 전달하는 전달모듈(12)을 구비한다. 예를 들어, 상기 반응제는 함수(含水) 요소나, 탄화수소, 물, 또는 다른 유체로 될 수 있다. 탱크(10)와 전달모듈(12)은 일체로 된 반응제용 탱크 및 전달모듈을 형성할 수 있다. 또한, 전자식 분사제어유니트(14)와, 인젝터(16) 및, 적어도 하나의 촉매베드(17)를 가진 배기시스템(19)은 상기 시스템의 일부로 구비된다.
전달모듈(12)은 펌프로 구성되는데, 공급라인(9)을 매개로 직렬로 장착된 필터(23)를 통해 탱크(10)에서부터 반응제가 펌프로 공급되게 된다. 반응제용 탱크(10)는 폴리프로필렌이나, 에폭시가 코팅된 탄소강, PVC, 또는 스테인리스강 등으로 될 수 있으며, 용도(예컨대 차량의 크기와 차량의 용도 및 기타 등등)에 따라 크기가 결정될 수 있다. 필터(23)는 분리가능한 카트리지를 갖추고서 경질 플라스틱이나 스테인리스강으로 구성된 하우징을 구비한다. 압력조절기(도시되지 않음)가 소정의 압력설정점(예컨대 대략 60psi)으로 시스템을 유지하도록 구비될 수 있으며, 인젝터(16)로부터 나오는 복귀라인(35)에 위치될 수 있다. 압력센서가 반응제용 인젝터(16)로 이어지는 유연성 있는 라인에 구비될 수 있다. 또한, 상기 시스템은 다양한 동결방지수단이 결합되어, 동결된 요소를 녹이거나 요소가 동결되는 것을 방지하게 된다. 예컨대, 시스템이 작동하는 동안, 인젝터가 반응제를 배기가스 속으로 방출하는지의 여부에 관계없이, 반응제는 탱크(10)와 인젝터(16) 사이를 계속해서 순환하여, 인젝터를 냉각시키고 인젝터 내에서의 반응제 체류시간을 최소화 하여서 반응제가 시원하게 남아 있게 된다. 계속적인 반응제의 순환은 함수 요소와 같이 온도에 민감한 반응제에는 필수적인바, 이러한 반응제는 엔진의 배기시스템에서 만나게 되는 300℃ 내지 650℃의 높은 온도에 노출될 때 응고되는 경향이 있다. 요소의 응고가 방지되는 것을 확보하는 안전여유를 두기 위해, 요소 혼합물을 140℃ 이하로, 바람직하기로는 5℃와 95℃ 사이의 낮은 작동범위로 유지하는 것이 중요하다. 응고된 요소가 생기게 되면, 이는 인젝터의 가동부 및 개구부를 더럽히게 되어 인젝터를 사용할 수 없게 한다. 유량은 엔진의 크기와 NOx의 수준에 따라 결정된다.
요구되는 반응제의 양은 부하와, 엔진의 RPM, 엔진 속도, 배기가스 온도, 배기가스 흐름, 배기의 배압, 엔진의 연료분사 타이밍 및, 원하는 NOx 감소량 등에 의해 변화될 수 있다. 엔진의 작동변수 중 일부 또는 그 모두가 엔진 또는 차량의 데이터 버스를 매개로 엔진제어유니트(27)에서 반응제의 분사제어유니트(14)로 공급될 수 있다. 반응제의 분사제어유니트(14)는, 트럭의 제조업자가 그 기능을 제공하도록 동의한다면, 엔진제어유니트(27)의 일부로 포함될 수도 있다.
배기가스 온도와 배기가스 흐름 및 배기 배압은 각각의 센서에 의해 측정될 수 있다.
전압에 의한 최저 반응제 수위 스위치 또는 프로그램된 로직이 사용되어 분사시스템이 말라붙은 채로 운전되거나 과열되는 것을 방지할 수 있다. 일단 탱크(10)에서 최저 반응제 수위에 도달하면, 분사는 중지되고 결함 지시등 또는 메시지 경보가 차량의 운전대에서 밝게 표시된다.
분사유량은, 본 명세서에 통합되고 참조로 인용되며, "자동차 디젤용 SCR 시스템과 방법"이라는 명칭으로 2005년 9월 13일에 공고된 미국 특허 제6,941,746호에 기술된 바와 같이, 분사제어수단 또는 맵에 의해 반응제의 분사제어유니트(14)를 프로그래밍 함으로써 설정될 수 있다. 상기 특허에 기술된 바와 같이, 분사수단은 차량에 NOx 계량기(25)를 임시로 설치함으로써 개선될 수 있다. NOx 계량기(25)는 샘플링 시스템을 갖춘 계량기 또는 센서로 될 수 있다. 도 1은 배기시스템(19)의 외부위치에서 가스의 농도 또는 질량을 분석하는 NOx 계량기(25)를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 인젝터(16)의 실시예를 도시한 단면도로서, 이 인젝터는 도 1에 도시된 시스템에 사용된다. 인젝터(16)는 상부(18a)와 하부(18b)를 가진 인젝터본체(18)를 구비한다. 가늘고 긴 원통형 체임버(30)가 인젝터본체(18) 내에 위치된다. 체임버(30)는 회전판(50)과 유체가 흐르도록 연통되게 되는데, 이 회전판은 장착될 때 디젤엔진의 배기시스템(19:도 1 참조) 내에 있는 배기가스 쪽으로 개방되는 출구(22)를 갖추고 있다. 출구(22)의 주변은 밸브시트(24)로 될 수 있는데, 이는 임의의 적당한 형상으로 될 수 있으며 바람직하기로 원뿔 형상으로 된다. 가늘고 긴 계량플러그(26)의 형태로 된 밸브부재가 체임버(30) 내에 미끄럼이동가능하게 장착된다.
도 3a는 회전판(50)의 평면도를 나타내며, 도 3b는 회전판(50)의 단면도이고, 도 3c는 회전판(50)의 저면도를 나타내고 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 회전판(50)은 밸브시트(24)를 둘러싸면서 계량플러그(26:도 2 참조)의 끝부(28)를 둘러싸는 영역에 회전체임버(52)를 형성하는 다수의 회전슬롯(51)을 구비한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 밸브시트(24)는 회전체임버(52)로부터 분무화된 유체를 분사하는 출구(22)를 둘러싸게 된다. 회전판(50)은 보유지지캡(74)에 의해 인젝터본체의 하부(18b)에 고정된다(도 2 참조).
도 2에 도시된 형태에서, 유체를 보유지지하는 개스킷(60)이 인젝터본체의 하부(18b)와 회전판(50) 사이에 개재되어서, 회전판(50)과 인젝터본체(18) 및 보유지지캡(74)의 접합면들 사이에서 유체가 누출되는 것을 방지할 수 있게 되어 있다. 개스킷은 실리콘 재질로 될 수 있다. 인젝터본체의 상부(18a)는 유체의 누출을 방지하도록, 인젝터본체의 상부(18a)와 하부(18b), 이 인젝터본체의 하부(18b)와 바닥판(75), 이 바닥판(75)과 코일(38), 그리고 이 코일(38)과 인젝터본체의 상부(18a)의 접합면들 사이에 개재되는 다수의 밀봉용 O링(76)을 구비한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 계량플러그(26)의 실시예를 도시한 단면도 및 정면도이다. 계량플러그(26)는 밸브시트(24)와 밀봉되게 맞물리도록 형성된 끝부(28)를 갖추어서, 출구(22)가 회전체임버(52)와 유체가 흐르도록 연통되는 것을 폐쇄한다. 계량플러그(26)는, 도 2에 도시된 폐쇄위치와, 상기 끝부(28)가 밸브시트(24)와 밀봉되게 맞물리는 상태에서 벗어나게 되는 개방위치 사이로 회전체임버(52) 내에서 이동할 수 있다. 개방위치에서, 출구(22)는 개방되어 회전체임버(52)와 유체가 흐르도록 연통되게 된다.
유체는 유체입구(34:도 2 참조)를 거쳐 회전체임버(52)로 전달된다. 유체입구(34)는 회전체임버(52)와 유체가 흐르도록 연통되고서, 공급라인(9)을 매개로 탱크(10)에 외부적으로 연결될 수 있다. 함수 요소로 된 반응제와 같은 유체가 예정 된 압력설정점으로 유체입구(34)와 회전체임버(52)로 펌핑될 수 있다. 가압된 유체는 회전슬롯(51)에서 고속으로 가속된다. 이는 회전체임버(52)에서 고속으로 회전하는 흐름을 생성한다. 계량플러그의 끝부(28)가 밸브시트(24)로부터 떨어질 때, 유체의 회전하는 흐름의 일부는 출구(22)를 통과하는데, 배기흐름으로 분출할 때 공기에 의한 유체의 전단과 원심력의 조합으로 분무가 일어난다.
상기 예정된 압력설정점은 작동조건에 따라 변화되어, 출구(22)로부터 나오는 변화된 분무패턴과 증가된 작동범위 중 적어도 하나를 제공할 수 있게 된다.
출구(22)의 개폐를 성취하기 위해서, 예컨대 인젝터본체(18)에 장착된 자성 코일(38)의 형태로 된 액추에이터가 구비될 수 있다. 자성 코일(38)이 자성을 띠게 되면, 계량플러그(26)는 폐쇄위치에서 개방위치를 향해 위쪽으로 끌어당겨진다. 바닥판(75)과 인젝터본체의 상부(18a)가 마그네틱 스테인리스강으로 구성되어, 자성을 띤 표면을 제공하면서 내부식성을 보유할 수 있게 된다. 인젝터본체의 하부(18b)는 스테인리스강 316과 같은 비자성 스테인리스강으로 구성된다. 이는 바닥판(75)에서 자성의 차폐를 향상시키고, 계량플러그(26)가 출구(22) 쪽으로 자성을 띠게 될 가능성을 제한하게 된다. 예컨대 도 1의 전자식 분사제어유니트(14)로부터 나오는 신호에 반응하여 자성 코일이 자성을 띠게 되는데, 센서의 입력신호와 미리 프로그래밍 된 알고리즘에 기초하여, 배기시스템에서 NOx 배출의 효과적인 SCR을 위해 반응제가 필요하게 될 때를 결정한다.
도 5는 배기관(80)에 연결된 인젝터(16)의 외관을 나타낸다. 전기연결부(82)가 예컨대 반응제의 분사제어유니트(14:도 1 참조)로부터 인젝터(16)로 제어신호를 제공하도록 구비될 수 있다. 자성 코일(38)은 디지털 신호로 변조된 펄스 폭을 가진 12 ~ 24VDC 전류에 의해 자성을 띠게 된다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 계량플러그(26)는 이 계량플러그(26)의 구멍(92)을 매개로 회전체임버(52)와 유체가 흐르도록 연통될 수 있는 중공부(90)를 구비한다. 회전체임버(52)로부터 나왔지만 출구(22)에서 방출되지 않은 가압된 유체는 구멍(92)과, 중공부(90), 그리고 궁극적으로는 계량플러그(26)의 중공의 상부(94)를 통해 유체출구(36)로 보내어진다. 유체출구(36)는 도 2에 도시된 바와 같이 계량플러그(26)의 중공부(90)의 상부(94)로부터 유체를 제거하도록 위치될 수 있다. 유체출구(36)는 복귀라인(35:도 5 참조)이 외부적으로 연결되어서, 유체가 도 1의 탱크(10)에서부터 공급라인(9)과 유체입구(34)를 통해 회전체임버(52)로, 계량플러그(26)의 구멍(92)과 중공부(90)를 통해 중공의 상부(94)의 외부 및 유체출구(36)의 내부로, 그리고 복귀라인(35)을 통해 도 1의 탱크(10)로 다시 순환되게 한다. 이러한 순환은 인젝터(16)가 냉각되게 유지하며 인젝터 내에서의 유체의 체류시간을 최소화시킨다. 유체입구(34)와 유체출구(36) 및 계량플러그(26)의 중공부(90)는 인젝터(16)를 통해 흐르는 유체를 위한 유로를 제공하여서, 인젝터(16)를 냉각시킬 수 있다. 인젝터(16)를 통해 있는 유체의 유로는 계량플러그(26)의 위치와 관계없다. 계량구멍(37)이 인젝터(16)를 통해 흐르는 냉각용 유체의 양을 제어하도록 구비될 수 있다.
따라서, 예컨대 상기 냉각된 인젝터(16)에 의해 사용될 때 함수 요소는 인젝터(16) 내 어디든지, 특히 회전체임버(52)의 영역에서는 응고되지 않는다. 응고되 게 되면, 요소는 계량플러그(26)가 적절히 안착되는 것을 방해할 수 있거나, 계량플러그(26)가 개방위치나 폐쇄위치에서 움직이지 못하게 하거나, 출구(22)가 막히게 될 것이다. 덧붙여, 반응제와 가동부 및 밸브의 개구부에 대한 높은 온도의 악영향이 방지되게 된다. 예컨대, 인젝터를 직접 냉각함으로써, 밸브시트의 영역만 냉각하는 종래기술에 비해 성능 향상이 이루어진다. 더구나, 향상된 냉각은 계량플러그(26)와 이와 관련된 작동부품들을 포함하는 인젝터의 구성요소 및 밸브시트(24)의 수명을 연장하게 된다. 인젝터본체의 상부(18a)의 외부에 구비된 냉각용 리브(72)가 추가적인 냉각 성능을 제공한다.
한 예로, 시간 당 대략 10gal의 유체가 인젝터를 통해 순환할 수 있다. 이 유량은 용도에 따라 변화될 수 있다. 계량플러그(26)의 끝부(28)가 밸브시트(24)에서 떨어질 때, 이용된 제어 알고리즘 또는 용도에 따라 분무화된 유체가 대략 3 ~ 500gr/min의 유량으로 방출된다. 아래에 기술하는 바와 같이, 예컨대 약 0.2gr/min과 같은 정도의, 3gr/min보다 훨씬 낮은 유량도 본 발명에 따른 방법에 의해 성취될 수 있다.
출구(22)로부터 방출된 유체의 분무 특성은 복귀라인과 공급라인에서 유지되는 압력의 압력비에 따라 변화될 수 있다. 예컨대, 작은 방울들의 크기는 공급라인(9)의 압력을 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 덧붙여, 분무 특성은 회전판들을 교체함으로써 변화될 수 있다. 예컨대, 보유지지캡(74)에 의해 인젝터본체에 고정되어 있는 회전판(50)이 분리되고, 다른 크기의 출구(22)나, 다른 개수의 회전슬롯(51), 또는 상이한 길이나 깊이 또는 폭으로 된 회전슬롯을 가진 회전판들로 교 체될 수 있다. 또한, 회전판들은 인젝터본체의 하부(18b)에 고정될 때 보다 큰 또는 보다 작은 회전체임버(52)를 제공하도록 형성될 수 있다. 유체순환속도도 계량구멍(37)의 내경을 변경함으로써 변화될 수 있다. 유체순환속도를 변화시키면 작은 방울의 크기가 변화되게 되며, 유체에 의해 제공되는 냉각의 수준에 영향을 끼치게 된다.
계량플러그(26)의 안내부(32)는 체임버(30) 내에서 계량플러그(26)의 미끄럼운동을 위한 주요 안내기능을 제공한다. 체임버(30)와 안내부(32) 사이의 공차는 충분하게 되어, 계량플러그(26)의 윤활과 상대운동이 이루어지면서 여전히 계량플러그의 운동을 안내하게 된다.
통상, 체임버(30)와 계량플러그(26) 사이의 여러 영역에서 요구되는 특정한 공차는, 작동온도와, 작동압력, 반응제의 순환속도와 원하는 유량, 인젝터본체(18)와 계량플러그(26)를 위해 선택된 재료와 반응제의 마찰성질 등에 따라 변화된다. 최적의 인젝터 성능을 위한 공차는 현장 시험을 통해 실험적으로 얻어질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 계량플러그(26)는 치우침부재에 의해 폐쇄위치로 치워져 있게 되는데, 이 치우침부재는 예컨대 계량플러그(26)의 중공의 상부(94)와 동축상으로 배치된 코일스프링(42)의 형태로 되며, 이때 상기 상부는 코일스프링(42)이 계량플러그(26)를 치우치게 밀어낼 수 있는 스프링시트로 작용한다.
도시된 형태에서, 열차폐부(58)가 회전판(50)의 외부에 장착되며, 보유지지캡(74)은 배기가스로부터 나오는 열이 회전판(50)과 인젝터본체(18)로 전달되는 것을 방지하면서 동시에 인젝터본체와 의도되지 않게 접촉하는 작은 방울들이 침적물 을 형성하지 않게 하는 가열면을 제공한다. 예를 들어, 열차폐부(58)는 인코넬로 만들어질 수 있다. 선택적으로 출구(22)는 회전판(50)의 분사끝부 또는 외부면으로 이동되어서, 분사각(α)을 증대시키고 분사각의 범위를 더욱 넓게 할 수 있으면서 냉각성질을 유지할 수 있게 된다. 열개스킷(70)은, 그 낮은 열전도율이 고온의 배기관(80)으로부터 회전판(50)과 인젝터본체(18)를 단열시키도록 작용해서 인젝터(16)로의 전도에 의한 열전달을 줄여 밸브 내에서 순환하는 유체가 시원하게 유지되게 하는 데에 도움이 되는 스테인리스강 재질로 싸인 유연성 있는 흑연 포일(foil)로 만들어진다.
계량플러그(26)는, 바람직하기로 요소에 대한 내부식성과 자성을 유지하면서 인젝터의 수명에 걸쳐 일어나는 금속 피로를 줄이는 코팅부로 코팅된 스테인리스강 430C 또는 440F로 만들어진다. 회전판(50)은 스테인리스강 316 또는 인코넬로 만들어지며, 요소에 대한 내부식성을 유지하면서 인젝터(16)의 수명에 걸쳐 일어나는 금속 피로를 줄이는 코팅부로 코팅된다. 바닥판(75)은 계량플러그(26)와 분리될 수 있으며, 계량플러그(26)는 제조하기에 적당한 가장 짧은 길이로 되어 상당히 감소된 계량플러그의 질량을 제공한다. 감소된 질량의 계량플러그(26)는 그 수명을 연장시키며, 특히 계량플러그의 끝부(28)의 수명을 연장시키게 되는데, 이는 밸브시트(24)의 반복된 충격으로 마모되고 변형되기가 쉽다.
본 발명에 따른 인젝터(16)는 대략 0.006inch의 직경을 가진 출구(22)를 갖춘다. 본 발명은, 10Hz 내지 대략 1.5Hz로 주파수를 조절하고 대략 1 ~ 10%로 온 시간을 줄여(예컨대 반응제의 분사제어유니트(14:도 1 참조)를 매개로 하여) %온 시간을 조절함으로써 0.006inch의 출구(22)를 가진 인젝터(16)에서 낮은 유량을 성취하게 된다. 0.006inch의 출구 직경은 단지 예를 들기 위한 것으로, 낮은 유량은 예컨대 대략 0.04inch 내지 0.035inch의 범위 내에 있는 직경을 가진 출구와 같이 다른 크기의 출구에 의해 성취될 수 있다.
본 발명에 의해 성취되어 분사되는 반응제의 유량은 대략 0.2gr/min에서 25gr/min 이상까지의 범위로 될 수 있다. 출구 크기의 선택이나, 분사 주파수, 입구압력, 또는 분사 지속기간(예컨대 온 시간)을 변경함으로써, 0.5gr/min 이하에서 900gr/min까지의 범위를 갖는 분사유량이 본 발명에 따라 이루어질 수 있게 된다.
예컨대, 본 발명에 따른 한 실시예가 표 2에 나타낸 바와 같이, 대략 1.5Hz의 주파수 및 1% 내지 10.4%의 온 시간에서 반응제(예컨대 32% 요소 수용액)의 대략 0.8gr/min 내지 5.5gr/min의 초저유량을 성취하고 있다.
10Hz에서 0.006inch의 출구
인젝터의 %온 시간 5% 20% 50% 80%
주입된 요소(32% 수용액)의 gr/min 3.3 7.8 16.5 25.5
1.5Hz에서 0.006inch의 출구
인젝터의 %온 시간 1% 4.2% 10.4%
주입된 요소(32% 수용액)의 gr/min 0.8 1.5 3.3
도 6은, 인젝터의 펄스 폭 변조 주파수가 1.5Hz(10Hz이기 보다는 오히려)로 설정될 때 본 발명에 의해 성취된 %온 시간에 대한 요소 유량의 그래프를 나타내고 있다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 1.5Hz에서 본 발명에 의해 성취된 유량은 5% 이하의 온 시간에서와 일직선상에 있는 선형 유량이다. 이러한 선형 결과는 놀랍고 예상치 못한 것으로, 10Hz에서는 인젝터의 온 시간이 5% 이하로 줄어들 때 유량이 비선형으로 될 수 있기 때문이다.
이하에서는, 디젤엔진에서 나오는 배기가스를 줄이기 위해 본 발명에 따른 낮은 유량의 인젝터를 이용하는 4가지 예시적인 방법을 설명하기로 한다. 첫 번째 예에서는, 0.030 출구를 가진 인젝터가 최초에 120psi의 반응제 압력과 10Hz의 주파수에서 작동하여, 631.0gr/min의 최대 분사유량(예컨대 비스코(Viscor) 시험액을 이용하여)을 제공한다. 인젝터는 120psi의 압력에서 68.0gr/min의 최소 유량을 갖는다. 주입압력이 80psi로 떨어지면 최소 유량이 58.8gr/min으로 줄어든다. 따라서, 631.0gr/min 내지 58.8gr/min의 분사유량에 대한 최대 부하조정이 가능하게 되며, 10.7:1의 부하 조정비로 된다.
하지만, 작동 주파수를 1.5Hz로 변경함으로써, 인젝터의 작동을 위한 최소 온 시간이 1%로 줄어들어 80psi에서 12.6gr/min의 최소 분사유량으로 될 수 있다. 따라서, 인젝터의 상기와 같은 작동특성을 조합하면 631.0gr/min 내지 12.6gr/min의 놀랍게도 높은 부하조정 또는 50:1의 부하 조정비를 제공하는 데에 이용될 수 있다.
두 번째 예에서는, 0.006 출구를 가진 인젝터가 5%의 온 시간에 상응한 최저 작동지점에서 3.6gr/min의 작동 분사유량과, 80psi로 물이 흐르고 10Hz의 주파수에서 작동할 때 100%의 온 시간에서 25.6gr/min의 최대 분사유량을 갖는다. 주파수를 1.5Hz로 변경하면 하단의 작동율이 80psi에서 0.6gr/min의 하단의 흐름에 상응하게 1%의 온 시간으로 떨어지게 된다. 따라서, 80psi의 일정한 압력에서 전체 부하 조정비는 대략 43:1이다.
세 번째 예에서는, 50%의 온 시간과 80psi 및 10Hz에서 작동되는 0.005 출구의 인젝터에 대한 슬롯면적이 100μSMD(Sauter Mean Diameter) 이하의 작은 방울 크기를 유지하고 2.6 ~ 7.5gph(gallon per hour)의 낮은 복귀 유량으로 인젝터의 냉각을 제공하도록 선택된다. 낮은 순환 및 복귀 유량이 펌핑을 위한 동력요건을 줄이는 데에 유리하지만, 그래도 회전체임버에 충분한 속도를 제공하여서 작은 방울의 크기와 인젝터의 냉각을 유지해야만 한다. 그러므로 인젝터를 통한 복귀 유량이 주입된 반응제의 양보다 크게 되도록 전체 반응제의 순환속도를 갖게 하는 것이 바람직하다. 표 3은 이 세 번째 예에 의해 생성된 데이터를 나타내고 있다.
복귀 유량 (gph) 평균 SMD (μ)
1.3 127.7
2.6 99.1
4.1 88.0
5 76.8
7.5 72.8
네 번째 예에서는, 0.005 출구의 인젝터가 1%의 온 시간과 물에 대한 1Hz의 주파수에서 작동되어, 120psi와 100%의 온 시간에서 20.5gr/min의 최대 분사유량에 의해 120psi의 작동 압력에서 0.35gr/min 및 60psi의 작동압력에서 0.2gr/min의 하단 분사유량을 제공한다. 이는 100:1의 부하 조정비를 제공한다. 10Hz와 120psi의 압력에서 작동될 때 최소 온 시간은 5%이고 최소 분사유량은 2.2gr/min이다. 따라서, 10Hz에서 1Hz까지 작동 주파수를 조절함으로써, 압력설정점의 변화와 조합하거나 그 단독으로 부하 조정비를 실질적으로 향상시킬 수 있게 된다.
이 예에서, 입자 크기의 데이터는 놀랍게도 작은 방울의 크기가 온 시간 및 주파수에 관계없음을 보여준다. 단지 공급압력만이 작은 방울의 크기를 현저히 바꾸게 된다. 작은 방울의 크기는 80psi에서는 69μSMD로, 60psi에서는 77μSMD로, 그리고 120psi에서는 56μSMD로 평균을 이루고 있다.
이제 본 발명은 바람직하기로 디젤엔진으로부터 나오는 NOx 방출의 감소에 사용되는 것과 같이 시중에서 구입가능한 단일한 유체의 펄스 폭 변조된 반응제용 인젝터의 %온 시간(펄스 폭)과 주파수를 조절함으로써 낮은 유량과, 유량의 최대 부하조정을 이룰 수 있게 된다.
본 발명이 다양하게 도시된 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 청구범위에 기술된 본 발명의 정신과 범주로부터 벗어남 없이 다양하게 변형되고 응용될 수 있다.

Claims (28)

  1. 0 초과 0.006inch 이하의 직경을 가진 구멍을 갖춘 인젝터를 디젤엔진의 배기구에 구비하는 단계와,
    120psi와 60psi 사이의 입구압력으로 상기 인젝터에 반응제를 공급하는 단계와,
    1% 내지 100%의 온(On) 시간과 더불어 10Hz와 1Hz 사이의 주파수에서 상기 인젝터를 온-오프 작동시키는 단계 및,
    상기 구멍을 통해, 분사제어유니트를 프로그래밍함으로써 설정되는 분사유량으로 상기 배기구에 상기 반응제를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 인젝터의 부하조정비가 31:1 ~ 100:1이 되도록, 상기 입구압력과 상기 주파수 및 상기 온 시간 중 적어도 2개를 변경시키는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분사유량은 0.2gr/min과 25gr/min 사이인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응제는 요소 수용액과 탄화수소 수용액 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 2개는 상기 주파수 및 상기 온 시간인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 80psi의 일정한 입구압력을 유지하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 직경은 0 초과 0.005inch 이하이고,
    상기 입구압력과 상기 주파수 및 상기 온 시간을 각각 변경시켜 100:1의 부하 조정비를 얻게 되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반응제가 40과 100μSMD 사이의 작은 방울 크기로 주입될 때까지 상기 입구압력을 조절하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반응제는 반응제용 탱크로부터 상기 인젝터로 공급되고,
    상기 방법은 상기 반응제의 적어도 일부가 상기 반응제용 탱크로 다시 재순환하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 순환속도는 분사유량보다 큰 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 반응제는 2.5gph와 10gph 사이의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 최소 분사유량은 0.2gr/min이고, 상기 최대 분사유량은 25gr/min인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 반응제는 7gph 및 25gph 사이의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 최소 분사유량은 20gr/min이고, 상기 최대 분사유량은 600gr/min인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  14. 0 초과 0.035inch 이하의 직경을 가진 구멍을 갖춘 인젝터를 디젤엔진의 배기구와 연통시키는 단계와,
    상기 인젝터에 일정 입구압력으로 반응제를 공급하는 단계와,
    상기 구멍을 통해, 분사제어유니트를 프로그래밍함으로써 설정되는 분사유량으로 상기 배기구에 상기 반응제를 주입하도록 일정 주파수에서 상기 인젝터를 온-오프 작동시키는 단계와,
    85%와 5% 사이에서 상기 인젝터의 온 시간을 조절하는 단계 및,
    제1입구압력과 제2입구압력 사이에서 상기 인젝터에 반응제를 공급할 때의 입구압력을 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 온 시간을 조절하는 단계와 상기 입구압력을 조절하는 단계에 의해, 상기 인젝터의 부하 조정비가 10:1 ~ 100:1로 되는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 직경은 0 초과 0.03inch 이하이고,
    상기 최대 분사유량은 800gr/min인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 10Hz의 제1주파수와 1.5Hz의 제2주파수 사이에서 상기 주파수를 조절하는 단계와, 50:1~ 100:1의 부하 조정비를 얻도록 0 초과 1% 이하로 상기 온 시간을 조절하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1입구압력은 120psi이고, 상기 제2입구압력은 80psi인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 구멍의 직경은 0 초과 0.005inch 이하이고,
    상기 부하 조정비는 100:1인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 제1입구압력은 120psi이고, 상기 제2입구압력은 60psi인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 제1입구압력은 140psi이고, 상기 제2입구압력은 40psi인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 부하 조정비는 43:1~ 100:1인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  22. 0 초과 0.006inch 이하의 직경을 가진 구멍을 갖춘 인젝터를 디젤엔진의 배기구에 구비하는 단계와,
    0 초과 80psi 이하의 입구압력으로 상기 인젝터에 반응제를 공급하는 단계 및,
    0 초과 1.5Hz 이하의 주파수에서 상기 인젝터를 온-오프 작동시키는 단계를 포함하되,
    상기 인젝터를 작동시키는 단계에서는 상기 구멍을 통해 0 초과 3.3gr/min 이하의 분사유량으로 상기 배기구에 상기 반응제를 주입하며,
    상기 인젝터는 0 초과 10.5% 이하의 온 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 인젝터는 0 초과 5% 이하의 온 시간을 갖고,
    상기 인젝터를 작동시키는 단계에서는 구멍을 통해 0 초과 1.5gr/min 이하의 분사유량으로 상기 배기구에 상기 반응제를 주입하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 인젝터는 0 초과 1% 이하의 온 시간을 갖고,
    상기 인젝터를 작동시키는 단계에서는 상기 구멍을 통해 0 초과 0.8gr/min 이하의 분사유량으로 상기 배기구에 상기 반응제를 주입하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  25. 제22항에 있어서, 상기 주파수는 0 초과 1.0Hz 이하인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  26. 제22항에 있어서, 상기 분사유량은 0.2gr/min과 3gr/min 사이인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  27. 제22항에 있어서, 상기 온 시간은 0 초과 1% 이하인 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
  28. 제22항에 있어서, 상기 반응제는 요소 수용액과 탄화수소 수용액 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진의 배기가스를 감소시키는 방법.
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